Спосіб випробування плоских зразків у вигляді паралелограма на двовісне навантаження зі зсувом

Винахід може бути віднесений до галузі випробовування зразків композитних матеріалів, тканин та сіток напрями волокон яких розташовані під косим кутом, тобто до тих способів, які дозволяють отримати механічні характеристики цих матеріалів в експериментах на двовісне навантаження зі зсувом. Відомий спосіб випробування плоских зразків армованого матеріалу на двовісне розтягнення [1], який полягає в тому, що до плоских зразків в вигляді ромба прикладають в його площині дві пари розтягуючих сил N1-N1 та N2N2 в напрямах паралельних напрямам армування зразка. Величини сил N 1 та N2 визначаються так: N1 = ahs1, N2 = ahs 2 (1) s ,s де 1 2 - задані напруження, що діють відповідно в першому та другому напрямах армування матеріалу, a, h - довжина сторони та товщина зразка. Недоліком способу є те, що сили N1 та N2 спрямовують в напрямах армування, завдяки чому кут між напрямами армування не змінюється і зсув в матеріалі не відбувається. Відомий також спосіб випробування плоских зразків армованого матеріалу на двовісне навантаження зі зсувом [2], що був взятий нами за прототип, який полягає в тому, що зразок в вигляді квадратної пластини навантажують двома рівними та протилежно направленими силами, що дорівнюють величині 2 N1= ah( s1 + t 2 )0,5 a 1 = arctg(s1 / t ) і прикладені до двох протилежних сторін зразка під кутом до перпендикуляру в сторону дії дотичних напружень, а дві другі сторони зразка навантажують двома рівними та N = ah(s 2 + t 2 ) 0,5 2 протилежно направленими силами, що дорівнюють величині 2 і прикладені до двох інших a 2 = arctg(s 2 / t) протилежних сторін зразка під кутом до перпендикуляру в сторону дії до тичних напружень, де s 1, s 2 , t - задані напруження, що дають в першому та др угому напрямах армування і дотичне напруження, відповідно, а, h - довжина сторони та товщина зразка. Недоліком способу є те, що він не передбачає можливості випробування плоских зразків армованого матеріалу в вигляді паралелограму. Необхідність випробування таких зразків виникає тоді, коли випробовуються матеріали, армуючі волокна яких направлені під кутом, що відрізняється від прямого. Крім того, недоліком способу є те, що в ньому задають два кути нахилу для сил N1 та N2 відносно сторін зразка. При розробці винаходу була поставлена задача створення способу випробування плоских зразків в вигляді паралелограма на двовісне навантаження із зсувом, який дозволяє створювати потрібний вид напруженого стану зразка. Вказану задачу ми розв'язуємо завдяки тому, що плоский зразок в вигляді паралелограма товщиною h, сторонами а1 і а2, розташованими під гострим кутом g (фіг.1)закріплюють так, що він може повертатися в своїй площині, і в площині зразка прикладають дві пари попарно рівних і протилежно направлених сили: до сторін довжиною а 1 – сили рівні величині 2 (1) N1 = a1h(s1 + t2 + 2s 1tcosg )0,5 , а до сторін довжиною а2 - сили рівні величині (2) N2 = a2h(s 2 + t 2 + 2s 2 tcosg )0,5 , 2 a між силами, що прикладають до суміжних сторін зразка, які розташовані під кутом g, дорівнює при чому кут t sin g t sin g a = g - arctg - arctg , (3) t cos g + s 1 t cos g + s2 s ,s ,t де 1 2 - задані напруження, що діють в напрямах армування матеріалу та дотичне напруження, що діє вздовж сторін зразка. Оскільки зразок може вільно повертатися в своїй площині, то вій заходиться в рівновазі під дією двох пар сил N1-N1 та N2-N2 і сума крутячих моментів вад ярих пар сил дорівнює нулю (фіг.2): N1a2 sina 1 = N2a1 sina 2 , (4) де a1 та a2 - кути на хилу сил N1 та N2 до напрямів армування. a Для кутів та 2 можна записати рівняння g = a + a 1 + a 2, (5) a1 a a Розв'язавши рівняння (4)-(5) відносно кутів 1 та 2 ми отримаємо: (6) a 1 = N1a2 /(N2a 1 sin( g - a )) + ctg( g - a ), (7) a 2 = N 2a1 /(N1a 2 sin( g - a )) + ctg( g - a ), a a З (6)-(7) видно, що в умовах можливості повороту зразка в своїй площині, кути 1 та 2 однозначно визначаються через величини N1, N2, g і a . Завдяки тому, що дві пари сил, які діють на зразок, дорівнюють відповідно величинам величині 2 N1 = a1h( s1 + t 2 + 2s 1tcosg )0,5 t sing t sing a = g - arctg - arctg t cos g + s 1 t cos g + s 2 , та в N2 = a2 h(s 2 + t 2 + 2s 2 tcosg )0,5 2 зразці виникає заданий , а кут між ними напружений стан, який характеризується компонентами напружень s 1, s 2 , t . Співставлення рішення, що заявляється, із прототипом показує, що в рішенні, яке заявляється, зразок може 2 2 0,5 вільно повертатися в своїй площині, сили обчислюють за формулами N1 = a1h( s1 + t + 2s 1tcosg ) та N2 = a2 h(s 2 + t 2 + 2s 2 tcosg )0,5 , а кут між цими силами a дорівнює a = g - arctg 2 t sing t sing - arctg . t cos g + s 1 t cos g + s 2 Таким чином, спосіб, що заявляється, відповідає критерію "новизна". На відміну від відомого способу, в запропонованому можна випробовувати зразки напрями армування яких розташовані під кутом, що відрізняється від прямого кута. Крім того, в запропонованому способі задають не два кути, які спрямовують сили N1 та N2 , a один кут a між напрямами дії цих сил, рівний величині t sing t sin g g - arctg - arctg . Таким чином ці ознаки виявляють нову властивість об'єкту, що t cos g + s1 t cos g + s 2 заявляється, і забезпечують рішенню відповідність критерію "істотні відмінності". Позитивний ефект при відтворенні запропонованого способу здійснюється за рахунок можливості випробування зразків в вигляді паралелограма і за рахунок того, що при випробуванні треба задавати не два кути дії сил N1 та N2, а один кут між цими силами, тобто в процесі випробувань задається та контролюється менше параметрів. Здійснення способу, що заявляється, пояснюється за допомогою наступних графічних матеріалів. На фіг. 1 представлені схема прикладання сил до зразка з захватними частинами, на фіг.2 - схема, що ілюстр ує умови рівноваги зразка під дією прикладених сил. Спосіб здійснюється наступним чином. Дві протилежні сторони зразка, які рівні а1, навантажуємо двома 2 2 0,5 рівними та протилежно направленими силами, що дорівнюють величині N1 = a1h( s1 + t + 2s 1tcosg ) , а дві інші сторони, які мають довжину а 2 - двома рівними та протилежно направленими силами, що дорівнюють величині N2 = a2 h(s 2 + t 2 + 2s 2 tcosg )0,5 2 при чому кут між силами дорівнює величині , t sing t sing = g - arctg a - arctg , де s 1, s 2 , t - задаю напруження, що дають в напрямах армування t cos g + s 1 t cos g + s 2 матеріалу та дотичне напруження, що діє в площинах вздовж сторін зразка. Оскільки зразок не закріплений до бази, то під час навантаження він вільно повертається в своїй площині під дією прикладених навантажень. Був випробуваний зразок тканини в вигляді паралелограму з розмірами а 1=50мм, а2=70мм, h=0,5мм, g =50°. Були задані напруження вздовж напрямів армування: s 1 =325кПа, s 2 =345кПа, та дотичне напруження t = 150кПа. Підставляючи величини а 1, а2, h, g , s 1 , s 2 , t в формули для зусиль та кута між ними, ми отримаємо величини зусиль N1=9H, N2=13,7H та кута між ними a =12°30', які необхідні для того, щоб в зразці виникли необхідні напруження. Джерела інформації 1. Писаренко Г.С., Лебедев А. А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. - К.: На ук. думка, 1976. - 416 с. 2. Заявка на патент №2001075369 від 06.03.02 МПК6 G 01 N 3/18. Спосіб випробування плоских зразків армованого матеріалу на двовісне навантаження із зсувом.